第2章數(shù)據(jù)操控.ppt

1、計算機科學概論,第2章 數(shù)據(jù)操控 授課人 陳思亮教授,第2章 數(shù)據(jù)操控,初步了解計算機的體系結構； 了解機器語言、指令、程序及程序的執(zhí)行。,目錄,2.1 計算機體系結構 2.2 機器語言 2.3 程序執(zhí)行 2.4 算術/邏輯指令 本章作業(yè),2.1 計算機體系結構,一、中央處理器(central processing unit，縮寫為 CPU ) 是計算機控制數(shù)據(jù)操縱的電路。 現(xiàn)在的CPU體積很小，其引腳插在計算機主電路板(主板 motherboard)上。,2.1 計算機體系結構,CPU由兩部分組成： 算術/邏輯單元和控制單元。 1、算術/邏輯單元(arithmetic/logic unit)

2、 包含執(zhí)行數(shù)據(jù)操作(如加法和減法運算) 2、控制單元(control unit) 包括協(xié)調(diào)計算機活動的電路。,2.1 計算機體系結構,CPU還包含類似于主存儲器單元的單元，稱為寄存器(register)，分為： 通用寄存器(general-purpose register)和 專用寄存器(special-purpose register)兩類。 通用寄存器用于存儲由CPU正在操縱的數(shù)據(jù)。它們存儲算術/邏輯單元電路的輸入值以及該部件所產(chǎn)生的結果。具體操作在控制單元控制下進行。 專用寄存器將在2.3節(jié)討論。,2.1 計算機體系結構,二、總線(bus) 是計算機中各部件之間傳遞信息的基本通道。例如C

3、PU和主存儲器就是通過總線連接的。,2.1 計算機體系結構,主存儲器中的值相加的過程如下： 步驟1：從存儲器取出一個要加的值放入一個寄存器中。 步驟2：從存儲器中取出另一個要加的值放入另一個寄存器中。 步驟3：激活加法電路，以步驟1和步驟2所用的寄存器作為輸入，用另一個寄存器存放相加的結果。 步驟4：將結果存入存儲器。 步驟5：停止。,2.1 計算機體系結構,三、高速緩沖存儲器(Cache memory) 三種存儲設備功能的比較： 寄存器 存儲可立即進行運算的數(shù)據(jù) 主存儲器 存儲即將使用的數(shù)據(jù) 海量存儲器 存儲最近也許不會使用的數(shù)據(jù) 增加一個附加的存儲器高速緩沖存儲器，位于 CPU 內(nèi)部的高速

4、存儲器的一部分，保存主存儲器中當前最重要的那部分內(nèi)容的一個副本，使之不會被與主存儲器的通信所延遲，使 CPU可較快地執(zhí)行其機器周期。,2.1 計算機體系結構,四、存儲程序的概念(stored-program concept) 將計算機程序存儲在主存儲器中的思想稱為存儲程序概念。 這已經(jīng)成為今天所使用的標準方法。這樣程序可以自己修改自己，即只需要改變計算機存儲器中的內(nèi)容，而不必對控制單元進行重新布線。,2.2 機器語言,為應用存儲程序概念，CPU設計成可以識別二進制模式和指令。這組指令以及編碼系統(tǒng)稱為機器語言(machine language) 用語言表達的指令稱為機器級指令或機器指令(mach

5、ine instruction)。,2.2.1 指令系統(tǒng),兩種CPU體系結構： 精簡指令集計算機(reduced instruction computer，RISC) 優(yōu)點：計算機效率高且速度快 如：英特爾公司的奔騰系列 復雜指令集計算機(complex instruction computer，CISC) 優(yōu)點：容易編程 如：蘋果公司、IBM和摩托羅拉公司聯(lián)合開發(fā)的 Power PC系列,2.2.1 指令系統(tǒng),指令的分類 數(shù)據(jù)傳輸類 關于傳輸(trnsfer)、移動(move)、復制(copy)或克隆(clone)的說明 CPU和主存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸有專門的術語，LOAD(由存儲單元填充通

6、用寄存器的請求) STORE(寄存器內(nèi)容傳輸給存儲單元的請求) CPU-主存儲器環(huán)境 之外的設備通信的指令，稱為I/O指令。,2.2.1 指令系統(tǒng),指令的分類 算術/邏輯類 算術運算 邏輯運算 移位（SHIFT）運算或 循環(huán)移位（ROTATE）運算 控制類 JUMP(轉移)、BRANCH(分支) 無條件轉移(unconditional jump)、條件轉移(condional jump),2.2.2 一種演示用的機器語言,機器指令編碼形式： 包括兩部分 操作碼(operation code, op-code) 指明該指令要求的什么基本運算，如存放STORE、位移SHIFT、異或XOR和轉移JU

7、MP 操作數(shù)(operand) 提供關于操作碼指定的運算的更詳細的 信息。 定長指令(2字節(jié))，每執(zhí)行一條指令，程序計數(shù)器累加2。 變長指令。CISC機器的指令長度可變。,符號說明： R、S、T 為十六進制數(shù)字，表示寄存器號 (R)、(S)、(T)分別表示寄存器R、S、T的位模式 X、Y為十六進制數(shù)字，XY表示地址 (XY)表示地址XY的位模式,假定相加的數(shù)值以二進制補碼記數(shù)法形式存儲在地址6C和6D中，其相加的結果存放在地址6E的存儲單元里。,2.3 程序執(zhí)行,控制單元 指令寄存器(instruction register) 用于存儲正在執(zhí)行的指令 程序計數(shù)器(program counter

8、) 記錄下一條個待執(zhí)行指令的地址(跟蹤程序執(zhí)行到什么地方),2.3 程序執(zhí)行,機器周期(machine cycle) 計算機完成執(zhí)行一條指令的時間。 機器周期分三個階段： 取指：根據(jù)程序計數(shù)器規(guī)定的地址從存儲器中取下一條指令，然后增加程序計數(shù)器的值。 譯碼：對指令寄存器中的位模式進行譯碼。 執(zhí)行：實現(xiàn)指令寄存器里指令所規(guī)定的動作。 注意轉移JUMP指令的特殊性。,2.3 程序執(zhí)行,2.3.1 程序執(zhí)行的例子,機器周期取指階段的操作，分兩步。第一步：,第二步：,地址 內(nèi)容 A01A A1A2 A22B A3A2 A49C A5AB A63C A700 A8C0 A900,程序運行舉例1: 啟動時

9、程序計數(shù)器：A0 問題： 1. 當機器停止時，地址為A0的存儲單元有什么？ 2. 當機器停止時，程序計數(shù)器中會是什么位模式？,1AA2,2B,A2,A2,A0,2BA2,A4,9CAB,A6,89,3CA0,A8,C000,1A,89,停機！,2B = 00101011,A2 = 10100010,XOR 10001001 8 9,AA,地址內(nèi)容 2012 2120 2232 2330 24B0 2521 2620 27C0 2800,程序運行舉例2: 啟動時程序計數(shù)器：20 問題： 當機器停止時，寄存器0、1和2中是什么位模式？ 當機器停止時，地址為30的存儲單元中是什么位模式？ 當機器停止

10、時，地址為B0的存儲單元中是什么位模式？,地址 內(nèi)容 20 12 2120 2232 2330 24B0 2521 2620 27C0 2800,地址 指令 功能 20 1220 將地址20的內(nèi)容12存入寄存器2， 即(20) = 122 22 3230 將寄存器2的內(nèi)容存入地址30， 即(2) = 12 30 24 B021 因為(R)= (0)，故JUMP到地址21的存儲單元中的指令 21 2032 將數(shù)32存入寄存器0，即32 0 23 30B0 將寄存器0的內(nèi)容存入B0，即(0) = 32 B0 25 2120 將數(shù)20 的內(nèi)容存入寄存器1，即 20 1 27 C000 停機,30 1

11、2,B0 32,當機器停止時: 寄存器0、1、2中的位模式是 32，20，12 地址為30的存儲單元中位模式是 12 地址為B0的存儲單元中位模式是 32,寄存器0 32,寄存器1 20,寄存器2 12,時鐘(clock)，生成用于協(xié)調(diào)計算機活動的脈沖單位為赫茲(縮寫為Hz)。 不同的CPU設計在一個時鐘周期里完成的工作量是不同的。因此單單用時鐘速度比較不同CPU的計算機的速度沒有太大的意義。 基準測試(benchmark)，指比較不同計算機時，讓他們執(zhí)行同樣的程序(稱為基準)，然后比較他們的性能。通過選擇代表不同類型應用的基準，得到對各類市場有意義的結果。,2.3.2 程序與數(shù)據(jù),程序和數(shù)據(jù)

12、在計算機的主存儲器中都是以0和1編碼的，即在計算機的主存儲器中數(shù)據(jù)和程序是不區(qū)分的。 問題： 展現(xiàn)了計算機的學習能力(進行自我修正) 可編寫和執(zhí)行其他程序，解決自身所遇到的問題,2.4 算術/邏輯指令,2.4.1 邏輯運算 AND運算(指令操作碼8) 對操作數(shù)進行按位與運算 P63 屏蔽(masking)與掩碼(mask)，掩碼操作數(shù)決定另一個操作數(shù)的哪個部分影響結果。如對IP地址用掩碼取出其相應的部分 可用于復制一個串的一部分 OR運算(指令操作碼7) 與AND運算類似。（只是按位或運算） XOR運算(指令操作碼9) 用于形成一組位串的反碼。（只是按位異或運算）,2.4 算術/邏輯指令,2.4.2 循環(huán)移位及移位運算 循環(huán)移位(circular shift或rotation)，在右移時，將右側移出的位放置在左端的空位上。 邏輯移位(logical shift)，丟棄移出邊界的位，并用0填充空位。 算術位移（arithmetic shift）保留符號位不變的位移。 向左移位可以用2乘以二進制補碼表示。除2運算可以通過二進制右移來完成。要注意一定要小心保留符號位，